(57)【要約】【課題】燃料電池自動車等の燃料となる水素、その他産業上幅広い用途を有する水素を発生させる水素発生装置内の動力源を燃料電池等から供給する自立型の水素供給システムの一形態として好適な水素発生装置を提供する。【解決手段】少なくとも水素源となる原燃料１０を改質する改質器２０と、該改質器２０で改質された少なくとも水素を含む燃料ガス２５が供給されて水素を精製する水素発生装置本体部３０とを備えると共に、上記改質器２０で改質された少なくとも水素を含む燃料ガス２５及び空気４５が供給されて燃料電池本体部で発電する燃料電池５０と、該燃料電池５０で排気される排燃料５７を燃焼させる燃焼器６０と各種熱交換器２６などとを備えた水素発生装置Ａからなり、該水素発生装置Ａ内の動力源を上記燃料電池５０及び燃焼器６０で発生した熱及び燃料電池５０で発生した電力で全て賄うことを特徴とする水素発生装置。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも水素源となる原燃料を改質する改質器と、該改質器で改質された少なくとも水素を含む燃料ガスが供給されて水素を精製する水素発生装置本体部とを備えると共に、上記改質器で改質された少なくとも水素を含む燃料ガス及び空気が供給されて燃料電池本体部で発電する燃料電池と、該燃料電池で排気される排燃料を燃焼させる燃焼器と各種熱交換器とを備えた水素発生装置からなり、該水素発生装置内の動力源を上記燃料電池及び燃焼器で発生した熱及び燃料電池で発生した電力で全て賄うことを特徴とする水素発生装置。
【請求項２】
原燃料が炭化水素類、ハイドライド類、メタノール、ジメチルエーテル、各種合成ガス、ランドフィルガス、バイオガス、ＬＮＧ、ＬＰＧから選ばれる少なくとも１種である請求項１記載の水素発生装置。
【請求項３】
原燃料がジメチルエーテルである請求項１記載の水素発生装置。
【請求項４】
燃料電池が固体酸化物型燃料電池又は溶融炭酸塩型燃料電池である請求項１〜３の何れか一つに記載の水素発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池自動車等の燃料となる水素、その他産業上幅広い用途を有する水素を発生させる水素発生装置に関し、更に詳しくは、炭化水素類、メタノール、ジメチルエーテルなどを原燃料とし、水素発生装置内の動力源を燃料電池等から供給する自立型の水素供給システムの一形態として好適な水素発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、無公害の燃料エネルギーの水素を使用したものとしては、例えば、燃料電池自動車、水素自動車、燃料電池などが知られている。
このような水素を使用、消費する各機器に対する水素は、従来より、水素発生（製造）装置等により得ていた。
【０００３】
しかしながら、従来の水素発生装置は、その動力源として莫大な外部からの電力、熱源などを使用しており、エネルギー消費が多い点、並びに、エネルギー（電気、熱など）を不断に供給する必要がある点に課題がある。近年の省エネルギー化においても、そのエネルギー消費は未だ多く、環境面からも、更なる省エネルギー化の必要性が切望されているのが現状である。
更に、地震災害等発生時外部からのエネルギー（電気、熱など）が供給遮断された場合には運転継続が困難という問題も生じる。
【０００４】
一方、燃料電池による発電は、低公害、低騒音でエネルギーロスが少なく、設置条件や操作性などの面で有利なことから、近年その開発が活発となっている。
この燃料電池は、原理的には燃料ガスである水素のもつ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するエネルギー変換装置である。
最近では、イオウ分を含まず、ハンドリング性のよいジメチルエーテルを原燃料として用いた燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−１８９０２２（特許請求の範囲、実施例等）
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載される技術は、運搬、貯蔵が容易で、クリーンなジメチルエーテルを燃料電池用の原燃料に用いたものであり、本願発明とは、燃料電池を用いる点で部分的に共通するが、その目的、技術思想は全く相違するものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来の課題及び現状に鑑み、これを解消しようとするものであり、産業上幅広い用途を有する水素を発生させる水素発生装置において、水素発生装置内の動力源を燃料電池等から供給することにより、一旦装置を起動させてしまえば、原燃料と水が供給される限りにおいては、外部から一切のエネルギー（電気、熱など）の供給なしで運転継続可能な自立型の水素供給システムの一形態として好適な水素発生装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記従来の課題等を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、少なくとも水素源となる原燃料を改質する改質器と、該改質器で改質された少なくとも水素を含む燃料ガスが供給されて水素を精製する水素発生装置本体部と、上記改質器で改質された少なくとも水素を含む燃料ガス及び空気が供給されて燃料電池本体部で発電する燃料電池と、該燃料電池で排気される排燃料を燃焼させる燃焼器と各種熱交換機とを備えた水素発生装置の機構等を有機的に組み合わせることにより、上記目的の水素発生装置が得られることを見い出し、本発明を完成するに至ったのである。
すなわち、本発明は、次の（１）〜（４）に存する。
（１）  少なくとも水素源となる原燃料を改質する改質器と、該改質器で改質された少なくとも水素を含む燃料ガスが供給されて水素を精製する水素発生装置本体部とを備えると共に、上記改質器で改質された少なくとも水素を含む燃料ガス及び空気が供給されて燃料電池本体部で発電する燃料電池と、該燃料電池で排気される排燃料を燃焼させる燃焼器と各種熱交換器とを備えた水素発生装置からなり、該水素発生装置内の動力源を上記燃料電池及び燃焼器で発生した熱及び燃料電池で発生した電力で全て賄うことを特徴とする水素発生装置。
（２）  原燃料が炭化水素類、ハイドライド類、メタノール、ジメチルエーテル、各種合成ガス、ランドフィルガス、バイオガス、ＬＮＧ、ＬＰＧから選ばれる少なくとも１種である請求項（１）記載の水素発生装置。
（３）  原燃料がジメチルエーテルである請求項（１）記載の水素発生装置。
（４）  燃料電池が固体酸化物型燃料電池又は溶融炭酸塩型燃料電池である請求項（１）〜（３）の何れか一つに記載の水素発生装置。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳しく説明する。
本発明の水素発生装置は、少なくとも水素源となる原燃料を改質する改質器と、該改質器で改質された少なくとも水素を含む燃料ガスが供給されて水素を精製する水素発生装置本体部とを備えると共に、上記改質器で改質された少なくとも水素を含む燃料ガス及び空気が供給されて燃料電池本体部で発電する燃料電池と、該燃料電池で排気される排燃料を燃焼させる燃焼器と各種熱交換器とを備えた水素発生装置からなり、該水素発生装置内の動力源を上記燃料電池及び燃焼器で発生した熱及び燃料電池で発生した電力で全て賄うことを特徴とするものである。
【００１０】
図１は、本発明における水素発生装置の実施形態の一例を示すフローチャート図である。
本実施形態の水素発生装置Ａは、図１に示すように、少なくとも水素源となる原燃料１０を改質する改質器２０と、該改質器２０で改質された少なくとも水素を含む燃料ガス２５が供給されて水素を精製する水素発生装置本体部３０とを備えると共に、上記改質器２０で改質された少なくとも水素を含む燃料ガス２５及び空気４５が供給されて燃料電池本体部５０ａで発電する燃料電池５０と、該燃料電池５０で排気される排燃料５７を燃焼させる燃焼器６０とを備えている。なお、図１中の矢印を含む直線部は、改質器２０、水素発生装置本体部３０、燃料電池５０、燃焼器６０等へ供給する各供給管を示す（図２も同様）。
【００１１】
用いる原燃料１０としては、改質器２０の改質により水素を含むものに改質できるものであれば、特に限定されず、例えば、炭化水素類（メタン、天然ガス、プロパン、ブタン、石油ガス、ナフサ、灯油、軽油、合成石油、ガソリン等）、ハイドライド類〔有機系：デカリン、シクロヘキサン、２−プロパノール等、無機系：アラネート（ＮａＡｌＨ４）、水素化ホウ素リチウム（ＬｉＢＨ４）、水素化リチウム（ＬｉＨ）、水素化マグネシウム（ＭｇＨ）、アンモニア（ＮＨ３）、水素化ホウ素カリウム（ＫＢＨ４）、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）、水素化ホウ素アルミニウム（ＡｌＢＨ４）等〕、メタノール、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）、各種合成ガス（石炭ガス化ガス、廃棄物ガス化ガス、バイオマスガス等）、消化ガス、原燃料が炭化水素類、ハイドライド類、メタノール、ジメチルエーテル、ランドフィルガス、バイオガス、炭鉱ガス、ＬＮＧ、ＬＰＧから選ばれる少なくとも１種が挙げられる。
これらの原燃料のうち、石炭や天然ガス、更には、バイオマスからも合成可能で、環境負荷がきわめて小さく、取り扱いが容易で幅広い用途に利用可能であり、更に低温（３００〜４００℃）での改質が可能であり、イオウ分を含まないため脱硫工程も不要となる点から、ＤＭＥの使用が望ましい。
【００１２】
この原燃料１０は、熱交換器１１で加熱されて改質器２０に供給される。この改質器２０としては、原燃料１０の種類に応じて各種の改質器（熱分解する機器も含む）を用いることができる。原燃料１０としてＤＭＥを用いる場合には、改質器２０としては、例えば、改質触媒、容器、燃焼器、蒸発器、ＣＯ除去器、熱交換器などからなるものが挙げられる。また、原燃料１０としてＤＭＥを用いる場合には、水を熱交換器１２で加熱させた水蒸気１４と共に改質器２０に供給することが好ましい。
この改質器２０で、原燃料１０は少なくとも水素を含む燃料ガス２５となる。原燃料１０としてＤＭＥを用いた場合には、改質器２０で温度３００〜４００℃で水素（Ｈ２）、一酸化炭素（ＣＯ）或いは二酸化炭素（ＣＯ２）に改質される。
【００１３】
この改質器２０で改質された燃料ガス２５は、水素発生装置本体部３０及び燃料電池５０へ供給される。
水素発生装置本体部３０への燃料ガス２５の供給は、燃料ガス２５は熱交換器（コンプレッサー用クーラー）２６で熱交換されて降温され併せて水分が凝縮除去されコンプレッサー２８を介して行われる。水素発生装置本体部３０へ供給された燃料ガス２５は、該本体部３０で水素（Ｈ２）に精製される。この水素発生装置本体部３０で原料ガス２５を精製して水素が発生（製造）されることとなる。
この水素発生装置本体部３０としては、燃料ガス２５から水素を精製できるものであれば、その構造は特に限定されず、原燃料１０としてＤＭＥを用いた場合には、例えば、ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｗｉｎｇ  Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）から構成されるものが挙げられる。
なお、水素発生装置本体部３０で精製で残ったオフガス２９は、改質器２０から燃料電池５０へ供給される供給管に接続して燃料電池５０用の燃料ガスとしてもよい。
【００１４】
また、改質器２０で改質された燃料ガス２５の燃料電池５０への供給は、燃料予熱器４０で燃料ガス２５が加熱されて行われる。
この燃料ガス２５は、燃料電池（本体部）５０のアノードへ、また、酸化剤ガスである空気４５を燃料電池（本体部）５０のカソードへ供給することにより、発電が可能となる。
燃料電池５０としては、原燃料１０の種類、水素発生装置Ａ内の動力源を燃料電池５０及び燃焼器６０で発生した熱及び燃料電池５０で発生した電力で供給して自立型となるものであれば、特に限定されず、例えば、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、固体高分子型（ＰＥＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）が挙げられるが、用いる原燃料１０の汎用性、改質器２０の作動温度、高発電効率等の点から、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）又は溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）が好ましい。
原燃料１０としてＤＭＥを用いた場合には、燃料電池５０としては、例えば、複数のセルで構成されたモジュール、これらを格納する容器、熱交換器、ＢＯＰ（空気ファン、排燃料循環ブロワ等）、集電部、インバータ、制御部等から構成される固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）が挙げられる。
【００１５】
この燃料電池５０で燃料ガス２５は発電に用いられた後、排空気５５は装置外へ排気される。また、燃料電池５０で反応後に残存する排燃料５７は、燃焼用空気５８と共に燃焼器６０へ供給されて燃焼される。この燃焼器６０としては、例えば、燃焼用触媒、バーナー、伝熱パネルを有するボイラ容器等からなるものが挙げられる。
この燃焼器６０で燃焼された燃焼排ガス６５は、熱交換器６６で熱交換されて装置外へ排気される。
なお、燃焼器６０での燃焼に必要な排燃料５７が不足する場合には、原燃料１０を直接補充するライン６７を接続してもよいものである。
【００１６】
このように構成される本実施形態の水素製造装置Ａでは、少なくとも水素源となる原燃料１０を改質する改質器２０と、該改質器２０で改質された少なくとも水素を含む燃料ガス２５が供給されて水素を精製する水素発生装置本体部３０とを備えると共に、上記改質器２０で改質された少なくとも水素を含む燃料ガス２５及び空気４５が供給されて燃料電池本体部５０ａで発電する燃料電池５０と、該燃料電池５０で排気される排燃料５７を燃焼させる燃焼器６０と、各種熱交換器１１、１２、２６、４０、６６とを備えた水素発生装置Ａからなり、該水素発生装置Ａ内の動力源を上記燃料電池５０及び燃焼器６０で発生した熱及び燃料電池５０で発生した電力で全て賄うものである。
具体的には、この水素発生装置Ａ内の余剰熱量は、燃料電池５０での熱量、燃焼排ガス（熱交換器６６）での熱量、熱交換器（コンプレッサー用クーラー）２６での熱量であり、この熱源は熱交換器１１及び１２、改質器２０、予熱器４０の熱源となり、また、燃料電池５０で発生した電力はコンプレッサー２７、水素発生装置本体部３０の動力源となるものである。
【００１７】
本発明では、水素発生装置Ａ内の動力源を上述の如く、燃料電池５０及び燃焼器６０などで発生した熱及び燃料電池５０で発生した電力で供給することができるので、自立型の水素供給システムの一形態として好適な水素発生装置が提供されることとなる。
特に、本発明の水素発生装置において、原燃料１０としてＤＭＥを使用すれば環境負荷がきわめて小さく、取り扱いが容易で幅広い用途に利用可能であり、更に低温（３００〜４００℃）での改質が可能であり、イオウ分を含まないため脱硫工程も不要となるものであり、かつ、燃料電池５０として固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を使用すれば、ＤＭＥとの相乗性、改質器２０の作動温度の調整、高発電効率等の点から優れた自立型の水素発生装置が得られることとなる。
また、本発明では、水素発生装置を一旦起動させてしまえば、原燃料と水が供給される限りにおいては、外部から一切のエネルギー（電気、熱など）の供給なしで運転継続可能な自立型の水素供給システムの一形態として好適な水素発生装置が得られるものである。
【００１８】
【実施例】
次に、実施例により、本発明を更に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
【００１９】
図２は、本発明の水素発生装置の実施例を示すフローチャート図である。なお、図１と同様の構成等は、同一符号を付けてその説明を省略等する。
【００２０】
この原燃料（ＤＭＥ）１０は、図２に示すように、熱交換器１１で３５０℃に加熱されて改質器２０に供給される。また、水（２０℃）を熱交換器１２ａで１１０℃及び熱交換器１２ｂで３５０℃に順次加熱させた水蒸気１４と共に改質器２０に供給した。
この改質器２０で、原燃料（ＤＭＥ）１０は少なくとも水素を含む燃料ガス（Ｈ２５３％、ＣＯ１％、ＣＯ２１７％）に改質した。この燃料ガス２５は、水素発生装置本体部３０及び燃料電池５０へ供給した。
水素発生装置本体部３０への燃料ガス２５（温度３５０℃）の供給は、燃料ガス２５はコンプレッサー用クーラー２６及び２７で順次熱交換されて降温（３０℃）され、併せて水分が凝縮除去されコンプレッサー２８を介して行った。水素発生装置本体部３０へ供給された燃料ガス２５は、該本体部３０で水素（Ｈ２）に精製した。
【００２１】
また、改質器２０で改質された燃料ガス２５（３５０℃）は、オフガス２９と混合された。この混合ガスの組成は、Ｈ２４３％、ＣＯ３％、ＣＯ２３５％であった。この混合ガス（２０６℃）の燃料電池５０への供給は、燃料予熱器４０で混合燃料ガス２５ａを加熱（６６２℃）して供給した。
この混合燃料ガス２５ａを燃料電池（ＳＯＦＣ）５０のアノードへ、また、酸化剤ガスである空気４５（２０℃）を燃料電池（ＳＯＦＣ）５０のカソードへ供給することにより、発電を行った。
この燃料電池（ＳＯＦＣ）５０で発電に用いられた後の排空気５５（８５℃）は、装置外へ排気した。また、燃料電池５０で反応後に残存する排燃料５７（５６７℃）は、燃焼用空気５８（２０℃）と共に燃焼器６０へ供給して燃焼させた。この燃焼器６０で燃焼された燃焼排ガス６５（１１９５℃）は、熱交換器等で熱交換（１１０℃）されて装置外へ排気した。
【００２２】
本実施例の水素製造装置において、ＤＭＥ投入量を１７．５１ｋｇ／ｈｒで供給すると、水素発生装置本体部３０での水素発生（製造）量は２．７０ｋｇ／ｈ（３０．００Ｎｍ３／ｈｒ）であった。
また、この水素発生装置内の余剰熱量は、燃料電池５０での熱量（７．８ｋＷ）、燃焼排ガスでの熱量（４８．０ｋＷ）、熱交換器（コンプレッサー用クーラー）２６での熱量（７．１ｋＷ）、コンプレッサー２８での熱量（６．１ｋＷ）であった。この熱源は熱交換器１１へ３．１ｋＷ供給し、また、熱交換器１２及び１３へ各３１．１ｋＷ、５．４ｋＷ供給し、改質器２０へ１６．０ｋＷ、燃料予熱器４０へ９．７ｋＷへ供給した。
また、燃料電池５０で発生した電力（１５．０ｋＷ）は、コンプレッサー２８、水素発生装置本体部３０へ供給した。
これらの電力バランス、熱バランス、改質効率等を下記表１に示す。
【００２３】
【表１】
2005019245.tif 000003
【００２４】
上記表１の結果から明らかなように、本実施例の原燃料として、ＤＭＥ、燃料電池としてＳＯＦＣを用いた場合には、水素発生装置内の動力源を、上述の如く、燃料電池５０及び燃焼器６０などで発生した熱及び燃料電池５０で発生した電力で供給することができるので、自立型の水素供給システムの一形態として好適な水素発生装置となることが判った。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、水素発生装置内の動力源を燃料電池、燃焼器から全て賄うことができるので、環境負荷も小さく、省エネルギーとなると共に、自立型の水素供給システムの一形態として好適な水素発生装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水素発生装置の一例を示すフローチャート図である。
【図２】実施例に用いた水素発生装置のフローチャート図である。
【符号の説明】
Ａ  水素発生装置
１０  原燃料
２０  改質器
３０  水素発生装置本体部
５０  燃料電池
６０  燃焼器
【図１】
2005019245.tif 000004
【図２】
2005019245.tif 000005